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Activités humaines et modification du cycle du CO2

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Objectif(s)

Savoir mettre en évidence la présence de CO₂.
Connaître les différents réservoirs de carbone sur la planète.
Comment l’utilisation des combustibles fossiles par l’Homme peut-elle avoir des conséquences sur le cycle du carbone ?

Les combustibles fossiles comme le charbon ou le pétrole sont des ressources d’énergie largement utilisées par l’Homme. Leur utilisation depuis le début de l’ère industrielle conduit à une libération de CO₂ dans l’atmosphère.

Sources de pollution	Quantité en millions de tonnes de polluants	Rang
Transports routiers et automobiles	7,0 M	1^er
Installations industrielles qui brûlent du charbon et du fuel	6,9 M	2^ème
Chauffages domestiques	0,3 M	3^ème

1. Le cycle naturel du carbone

a. Identification des réservoirs de carbone

Expérience 1 : Lorsque l’on brûle de la matière organique dans un tube, on constate la libération d'un gaz capable de troubler l’eau de chaux : c'est le CO₂.

La biosphère constitue donc un réservoir potentiel de carbone. Il forme le squelette des molécules organiques.

Expérience 2 : Il est possible de récolter de l’eau contenant un gaz capable de troubler l’eau de chaux.

L’hydrosphère est donc aussi un réservoir potentiel de carbone. Il est présent sous la forme de CO₂ dissous.

Expérience 3 : Si on fait agir de l’acide chlorhydrique sur une roche calcaire, on produit le dégagement d’un gaz capable de troubler l’eau de chaux : le CO₂.

La lithosphère est donc elle aussi un réservoir de carbone. Il est présent dans les roches carbonatées telles que le calcaire. On le retrouve aussi dans les roches carbonées comme le charbon ou le pétrole qui se sont formées à partir de la fossilisation de la matière organique.

Expérience 4 : Si on analyse la composition chimique de l’atmosphère, on constate qu’elle contient 0,03% de CO₂.

L’atmosphère constitue donc aussi un réservoir de carbone.

b. Les échanges entre les réservoirs de carbone

Les échanges entre biosphère et atmosphère/hydrosphère :
La biosphère comprend l’ensemble des êtres vivants. Ces derniers sont capables d’échanges gazeux avec leur milieu de vie selon deux processus : la respiration et la photosynthèse.
Au cours de la respiration, l’être vivant rejette du CO₂ dans l’atmosphère ou l’hydrosphère.
Au cours de la photosynthèse, les végétaux chlorophylliens capturent du CO₂ qu’ils intègrent dans la matière organique.

Les échanges entre biosphère et lithosphère :
Après leur mort, les êtres vivants peuvent être, sous certaines conditions, fossilisés pour donner des roches fossiles comme le charbon ou le pétrole (roches carbonées).
De même, les squelettes calcaires de certains êtres vivants après dépôt au fond des océans, peuvent être inclus dans les roches sédimentaires tels que le calcaire (roches carbonatées).

Les échanges entre lithosphère et atmosphère :
Lors des éruptions, les volcans rejettent dans l’atmosphère des gaz dont du CO₂.

L’ensemble de ces échanges peut être résumé sous la forme d’un schéma (Document 1).

Document 1 : Le cycle naturel du carbone

On constate que la lithosphère est le réservoir de carbone le plus important. De plus il permet un stockage à très long terme du carbone.
Les flux de carbone qui sont réalisés entre tous les réservoirs permettent de maintenir constantes les quantités de carbone dans les différents réservoirs notamment dans l’atmosphère. Grâce à l’équilibre de ce cycle, une augmentation du taux de carbone dans l’atmosphère est rapidement compensée par une absorption plus importante par les océans et la biomasse afin que le surplus soit stocké dans la lithosphère.

2. L'impact des activités humaines sur l'équilibre du cycle du carbone

a. Augmentation du taux de CO2 atmosphérique

Depuis le début de l’ère industrielle, l’Homme extrait les roches combustibles du sol afin de les utiliser comme carburant. Leur combustion conduit à une libération massive de CO₂ dans l’atmosphère.
Si on étudie le taux de CO₂ atmosphérique depuis les années 1850, on constate qu’il ne cesse d’augmenter. Cette augmentation est beaucoup plus importante depuis le début du 20^e siècle.
D’autres activités humaines sont responsables de cette augmentation : la déforestation qui consiste à incendier des parcelles de forêts et l’utilisation des roches carbonatées par l’industrie du bâtiment (fabrication du plâtre, ciment, …).
On estime aujourd’hui que l’exploitation des roches combustibles rejette 7,7 GtC dans l’atmosphère et que la déforestation restitue 1,4 GtC à l’atmosphère. L’augmentation de la concentration atmosphérique en Carbone est de 4,1 GtC et n’est plus compensée par la photosynthèse ou la dissolution dans les océans.

b. Les conséquences sur l'environnement

Les océans absorbent une partie du CO₂ qui s’accumule dans l’atmosphère. Ceci conduit à une acidification de l’eau des océans qui solubilise moins le CO₂. Les animaux qui utilisent le CO₂ dissous pour construire leur coquille vont être affectés. C’est le cas de la barrière de corail.
Il ne faut pas oublier que le CO₂ est un gaz à effet de serre qui participe au dérèglement climatique.

3. Des solutions pour lutter contre le déséquilibre du cycle du carbone

L’Homme cherche désormais des solutions pour limiter l’accumulation du CO₂ dans l’atmosphère. Il peut envisager de réduire l’utilisation des roches combustibles au profit d’énergies renouvelables plus propres. Mais les enjeux économiques sont importants et aujourd’hui tous les pays ne sont pas prêts à réduire leurs émissions de CO₂, notamment les pays exportateurs de pétrole (États-Unis, Arabie Saoudite, …). D’autres pays en plein essor comme la Chine revendiquent la nécessité d’utiliser les énergies combustibles pour développer leur économie.

Il reste une solution en cours de développement : la séquestration géologique du CO₂. Cette technique consiste à capturer le CO₂ dès qu’il est émis par une usine et à le réinjecter dans des mines de charbon ou des gisements d’hydrocarbure épuisés. Cette approche est actuellement en cours d’expérimentation.

L'essentiel

Le carbone suit un cycle naturel qui consiste en des échanges entre les 4 réservoirs : atmosphère, hydrosphère, biosphère et lithosphère.

Lieu	Quantité (en Gt)	Forme
Roches sédimentaires - Carbonates (roches sédimentaires) - Roches carbonées (charbon, pétrole)	30 millions 7 millions	Minérale (Ca CO₃) Organique (CHO, ...)
Hydrosphère Surtout océans, dans les eaux profondes	39 000	Dissoute (CO2 ; HCO₃^- ; CO₃^2-)
Atmosphère	750	Gazeuse (CO₂)
Biosphère Surtout dans le sol et dans les végétaux	2 000	Organique

Ce cycle est équilibré de telle sorte que la quantité de carbone reste constante dans l’atmosphère.

Lors d’un apport élevé en carbone dans l’atmosphère, la biosphère et l’hydrosphère agissent en puits de carbone et récupèrent le surplus. Ce surplus est ensuite redirigé vers la lithosphère lors de la fossilisation de la matière organique (formation des roches carbonées) ou lors de la sédimentation des squelettes calcaires des êtres vivants (formation des roches carbonatées). La lithosphère correspond donc au réservoir le plus important de carbone qui permet son stockage à long terme.

Depuis l’ère industrielle, l’Homme exploite les roches de la lithosphère en tant que combustibles. Ceci conduit à une réinjection massive de carbone dans l’atmosphère qui ne peut plus aujourd’hui être compensée par l’hydrosphère et la biosphère. Ceci a des conséquences sur l’environnement comme le dérèglement climatique.